克罗斯特里迪奥德斯·艰难梭菌（Clostridioides difficile, 简称C. diff）是一种革兰氏阳性厌氧芽孢杆菌，构成全球公共卫生的紧迫威胁。每年在美国，该病菌引发大约50万例感染，导致超过2.9万人死亡。目前的治疗手段仅限于抗生素，如fidaxomicin或vancomycin，并在病情更为严重时考虑粪便菌群移植或手术。然而，尽管经过治疗，艰难梭菌感染（C.diff infection，CDI）的复发率仍高达20-25%。在65岁以上的患者中，每9人中就有一人在诊断后的30天内死亡。这些都凸显了寻找其他艰难梭菌感染治疗策略的紧迫性。 

　　铁对几乎所有生命形式都是不可或缺的，然而，过量的铁是有毒的，因为它促进有害的氧自由基和蛋白质错位（金属与蛋白质错误结合）的形成。为了在宿主内生存，细菌病原体演变出了各种策略，包括铁的摄取、储存和解毒。 

　　2023年11月15日，范德堡大学Eric Skaar课题组皮花亮博士（现任职耶鲁大学医学院终身教职轨助理教授）及其合作者们在Nature上发表了文章Clostridioides difficile ferrosome organelles combat nutritional immunity。作者发现，艰难梭菌在细菌内进行铁的生物矿物化，将铁储存于膜结合的铁质体细胞器中（简称铁质体）。他们的研究同时证明铁质体的化学组成为非结晶磷酸铁生物矿物质（图1）。这一发现不仅为深入了解艰难梭菌的铁代谢机制提供了突破，同时也揭示了这一致命病原体如何在宿主体内对于铁的限制。这突破性的研究成果也为全新的抗菌策略的开发提供了可能性。 

　　  

　　  

　　图1: 测定C. diff内电子致密颗粒的化学成分。C. diff细菌经过戊二醛固定、快速冷冻、冷冻替代（freeze substitution），醋酸铀染色后制作100 nm厚度的超薄切片用于电子显微成像。图像分别由（j）高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）拍摄，或（k-o）能量色散 X 射线光谱（EDS）元素分析和成像生成。具体而言，包括（k）铁元素图谱，（l）HAADF与铁元素信号合并的图谱，（m）氧元素图谱，（n）磷元素图谱和（o）钙元素图谱。 

　　解析铁质体系统的生理功能并非易事。在铁稀缺条件下，编码铁质体系统的基因高度表达；然而，在铁过量或稀缺条件下，铁质体并未显著促进生长。研究人员进行了多种生长条件的尝试，发现铁质体在从铁稀缺向铁过量转变的过程中发挥了关键作用。研究结果表明，在准备从低铁环境中转变到富铁环境时，艰难梭菌通过诱导铁质体系统的基因表达来有效储存铁，从而防御瞬时的铁毒性。同时，这使得艰难梭菌能够在铁供应不足时使用铁质体的铁来支持其生长。 

　　艰难梭菌的致病性依赖于其获取必需的金属营养元素，尤其是铁，以支持其在宿主中的定植和复制。为了深入研究铁质体对艰难梭菌感染的重要性，研究人员采用了多个老鼠模型，研究了感染期间铁质体系统的体内表达动态，并检测了人类等哺乳动物宿主肠道（包括患有CDI的小鼠和患者）中的金属浓度。此外，研究人员检查了宿主的铁限制响应；这种响应被称为营养免疫，是一种防御机制，通过去除可用的金属营养元素来防止病原体感染。研究数据表明，艰难梭菌的铁质体系统在体内被激活，以与宿主的铁限制竞争，并且在感染期间对细菌的定植和存活至关重要。 

　　合作者范德堡大学周强军课题组孙戎博士通过冷冻电子断层扫描 (cryo-ET) 对铁质体进行了进一步的结构研究，发现分离的铁质体都被脂质样膜包裹，内部填充了不同水平的铁磷酸盐矿物质（图2）。然而，并非所有铁质体都能检测到膜，尤其是较大的铁质体，可能是由于高密度铁颗粒的电子散射影响。通过使用冷冻聚焦离子束减薄-扫描电子显微镜（FIB-SEM）制备的薄片，可直接观测到空囊泡和含有不同水平铁磷酸盐矿物的囊泡, 这进一步证明细菌内铁质体具有膜包裹的囊泡结构，而且铁质体易成簇存在, 且通常位于细胞膜的相邻区域（图2）。 

　　  

　　图2: 通过Cryo-ET揭示的铁质体（ferrosome）的囊泡结构。在（e-f）中，Cryo-ET揭示了分离的铁质体都被膜包围。方框标记了空膜泡和含有不同水平铁磷酸盐矿物的囊泡结构。（g）为冷冻聚焦离子束减薄技术（Cryo-FIB milling）示意图。在冷冻条件下聚焦离子束减薄的约200 nm细菌薄片中进行电子断层扫描和三维重构（h-n）揭示了在天然环境下(细菌)铁质体也是被膜包围的。紫色方框标记了空囊泡和含有不同水平铁磷酸盐矿物的囊泡。 

　　这项研究很可能会引起多个领域的广泛兴趣，包括微生物学、纳米技术和生物化工。铁质体还可能被用于开发金属纳米颗粒，例如金属纳米粒子的生产和药物递送囊泡等。在病原体细菌内发现铁质体的这一发现将会重塑我们对感染期间宿主与病原体相互作用以及厌氧微生物如何在宿主内适应金属营养元素水平波动的理解。更重要的是，铁质体系统在艰难梭菌感染中的重要性为其成为治疗该病原体的新靶点奠定了基础。 

　　美国范德堡大学的Eric Skaar和周强军博士为该项研究的共同通讯作者, 皮花亮和孙戎博士为本文的共同第一作者。此外，该工作得到实验室其他成员和合作团队们的大力支持。 

 

　　（来源：BioArt） 

　　原文出处：Pi H, Sun R, McBride JR, Kruse ARS, Gibson-Corley KN, Krystofiak ES, Nicholson MR, Spraggins JM, Zhou Q, Skaar EP. Clostridioides difficile ferrosome organelles combat nutritional immunity. Nature. 2023 Nov 15. doi: 10.1038/s41586-023-06719-9. Epub ahead of print. PMID: 37968387. 

  链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37968387/